Force prediction for correction of robot tool path in single point incremental forming

International audienceIn this work, an off-line compensation procedure, based on an elastic modelling of the machine structure coupled with a Finite Element Analysis (FEA) of the process is applied to Robotized Single Point Incremental Forming (RSPIF). Assuming an ideal stiff robot, the FEA evaluates the Tool Center Point (TCP) forces during the forming stage. These forces are then defined as an input data of the elastic robot model to predict and correct the tool path deviations. In order to make efficient the tool path correction, the weight of three numerical and material parameters of the FEA on the predicted forces is investigated. Finally, the efficiency of the proposed method is validated by the comparison between numerical and experimental geometries obtained with or without correction of the tool path

Développement d'une approche couplée matériau / structure machine (application au formage incrémental robotisé)

Le formage incrémental consiste à utiliser un poinçon de forme simple dont le mouvement va progressivement mettre en forme une tôle. Il ouvre de nouvelles perspectives quant au potentiel des procédés de mise en forme des tôles métalliques. La mise en oeuvre du formage incrémental par des systèmes mécaniques ayant des capacités dynamiques accrues et des volumes accessibles importants tels que les robots manipulateurs sériels ou parallèles est un moyen efficace d améliorer, d une part la productivité mais aussi la complexité des pièces formées. L objectif scientifique de ce travail est de contribuer au développement d une approche globale du problème, en se plaçant à la fois à l échelle mésoscopique du procédé et à l échelle macroscopique du système de fabrication. C est dans ce contexte qu est proposée une approche couplée matériau/structure combinant d une part l analyse éléments finis du procédé et d autre part un modèle élastique de la structure du robot.Tout d abord, les efforts requis au niveau de l outil pour former la pièce sont calculés sous l hypothèse d une structure de machine parfaitement rigide. Afin de minimiser l erreur entre la prédiction et la mesure des efforts de formage, trois facteurs identifiés comme influents sur le niveau d effort sont étudiés. Il est alors démontré, qu à partir d un choix de paramètres adapté, il est possible de s affranchir de la mesure des efforts de formage, ce qui n est actuellement pas le cas dans la littérature.Les efforts prédits sont ensuite définis comme une donnée d entrée du modèle élastique de la structure robot afin de calculer les erreurs de poses du centre outil. Pour prendre en compte le comportement élastique de la structure, la modélisation des structures robotisées par des éléments de type poutre est retenue puis appliquée à un robot industriel Fanuc S420if. Elle permet de prédire ce comportement avec une précision maximale de +- 0,35 mm, quelque soit le chargement en bout d outil supportable par le robot.Afin de valider l approche, deux pièces sont formées par le robot : un cône tronqué et une pyramide vrillée. La géométrie de ces deux pièces permet de valider à la fois les hypothèses de la simulation ainsi que l approche globale. Ces deux expérimentations entraînent une amélioration de 80 % de l exactitude de pose du robot, rapprochant ainsi celui-ci des performances d une machine à commande numérique à structure cartésienne.Finalement, dans la dernière partie, une boucle d optimisation permet de prendre en compte, dès le calcul de la trajectoire, l effet du retour élastique de la tôle avant le débridage de la pièce afin de minimiser l écart entre le profil nominal et le profil formé. L application de l approche couplée à cette trajectoire se traduit par une précision géométrique de +- 0,15 mm du profil formé avant desserrage de la tôle, ouvrant ainsi des perspectives intéressantes quant à l application de la méthodologie.The incremental forming is an innovative process which consists in forming a sheet by the progressive movements of a punch. A solution to improve the productivity of the process and the complexity of the parts shapes is to use robots (serial or parallel). The scientific aim of this work is to define a global approach of the problem by studying the mesoscopic scale of the process and the macroscopic scale of the machine. In this context, a process/machine coupling approach which combines a Finite Element Analysis (FEA) of the process and an elastic modeling of the robot structure is presented.First, the punch forces necessary to form the part are computed assuming a machine structure perfectly stiff. To minimize the error between the predicted forming forces and the measured ones, the weight of three numerical and material parameters of the FEA is investigated. This study shows that an appropriate choice of parameters avoids the force measurement step, unlike the available approaches in the literature.Then, the predicted forces are defined as input data of the elastic model of the robot structure to compute the Tool Center Point (TCP) pose errors. To consider the behavior of the elastic structure, the modeling of robotized structures by beam elements is chosen and applied to an industrial robot Fanuc S420if. The identified elastic model permits to predict the TCP displacements induced by the elastic behavior of the robot structure over the workspace whatever the load applied on the tool. The prediction maximum error of +-0.35 mm remains compatible with the process requirements.To validate the approach, two parts are formed by the robot: a truncated cone and a twisted pyramid. The geometry of these two parts confirms the hypothesis of the simulation and the global approach. These two tests give very interesting results since an improvement of 80 % of the TCP poseaccuracy is identified.Finally, an optimization loop based on a parametric trajectory and on a FEA anticipates the springback effects before the unclamping of the sheet, and then minimizes the error between the nominal shape and the formed one. The application of the process/machine coupling approach for this trajectory leads to a geometric accuracy of the part before unclamping of +- 0.15 mm. These results open interesting perspectives for the methodology application.RENNES-INSA (352382210) / SudocSudocFranceF

A Process/Machine coupling approach: Application to Robotized Incremental Sheet Forming

International audienceIn this paper, a Process/Machine coupling approach applied to Robotized Incremental Sheet Forming (RISF) is presented. This approach consists in coupling a Finite Element Analysis (FEA) of the process with an elastic modelling of the robot structure to improve the geometrical accuracy of the formed part. The FEA, assuming a rigid machine, is used to evaluate the forces at the interface between the tool and the sheet during the forming stage. These forces are used as input data for the elastic model, to predict and correct the tool path deviations. In order to make the tool path correction more effective, the weight of three numerical and material parameters of the FEA on the predicted forces is investigated. Finally, the proposed method is validated by the comparison of the numerical and experimental tool paths and geometries obtained with or without correction of the tool path

Off-line compensation of the tool path deviations on robotic machining : Application to incremental sheet forming

International audienceIn this paper, a coupling methodology is involved and improved to correct the tool path deviations induced by the compliance of industrial robots during an incremental sheet forming task. For that purpose, a robust and systematic method is first proposed to derive the elastic model of their structure and an efficient FE simulation of the process is then used to predict accurately the forming forces. Their values are then defined as the inputs of the proposed elastic model to calculate the robot TCP pose errors induced by the elastic deformations. This avoid thus a first step of measurement of the forces required to form a test part with a stiff machine. An intensive experimental investigation is performed by forming a classical frustum cone and a non-symetrical twisted pyramid. It validates the robustness of both the FE analysis and the proposed elastic modeling allowing the final geometry of the formed parts to converge towards their nominal specifications in a context of prototyping applications

Approche couplée matériau/structure machine : application au formage incrémental

La mise en place d'un modèle fiable de simulation du procédé de formage incrémental par des robots manipulateurs sériels est une étape essentielle afin de valider la capacité de la machine vis à vis des paramètres process. A travers un modèle éléments finis corrélé par des expérimentations, nous montrons l'influence des lois de comportement implémentées dans l'outil de simulation sur la géométrie finale de la pièce formée, le niveau d'effort, etc...L'influence du comportement élastique du système poly-articulé est également évaluée

Design of a process/machine coupling approach : application to robotized incremental forming

Le formage incrémental consiste à utiliser un poinçon de forme simple dont le mouvement va progressivement mettre en forme une tôle. Il ouvre de nouvelles perspectives quant au potentiel des procédés de mise en forme des tôles métalliques. La mise en oeuvre du formage incrémental par des systèmes mécaniques ayant des capacités dynamiques accrues et des volumes accessibles importants tels que les robots manipulateurs sériels ou parallèles est un moyen efficace d’améliorer, d’une part la productivité mais aussi la complexité des pièces formées. L’objectif scientifique de ce travail est de contribuer au développement d’une approche globale du problème, en se plaçant à la fois à l’échelle « mésoscopique » du procédé et à l’échelle « macroscopique » du système de fabrication. C’est dans ce contexte qu’est proposée une approche couplée matériau/structure combinant d’une part l’analyse éléments finis du procédé et d’autre part un modèle élastique de la structure du robot.Tout d’abord, les efforts requis au niveau de l’outil pour former la pièce sont calculés sous l’hypothèse d’une structure de machine parfaitement rigide. Afin de minimiser l’erreur entre la prédiction et la mesure des efforts de formage, trois facteurs identifiés comme influents sur le niveau d’effort sont étudiés. Il est alors démontré, qu’à partir d’un choix de paramètres adapté, il est possible de s’affranchir de la mesure des efforts de formage, ce qui n’est actuellement pas le cas dans la littérature.Les efforts prédits sont ensuite définis comme une donnée d’entrée du modèle élastique de la structure robot afin de calculer les erreurs de poses du centre outil. Pour prendre en compte le comportement élastique de la structure, la modélisation des structures robotisées par des éléments de type poutre est retenue puis appliquée à un robot industriel Fanuc S420if. Elle permet de prédire ce comportement avec une précision maximale de ± 0,35 mm, quelque soit le chargement en bout d’outil supportable par le robot.Afin de valider l’approche, deux pièces sont formées par le robot : un cône tronqué et une pyramide vrillée. La géométrie de ces deux pièces permet de valider à la fois les hypothèses de la simulation ainsi que l’approche globale. Ces deux expérimentations entraînent une amélioration de 80 % de l’exactitude de pose du robot, rapprochant ainsi celui-ci des performances d’une machine à commande numérique à structure cartésienne.Finalement, dans la dernière partie, une boucle d’optimisation permet de prendre en compte, dès le calcul de la trajectoire, l’effet du retour élastique de la tôle avant le débridage de la pièce afin de minimiser l’écart entre le profil nominal et le profil formé. L’application de l’approche couplée à cette trajectoire se traduit par une précision géométrique de ± 0,15 mm du profil formé avant desserrage de la tôle, ouvrant ainsi des perspectives intéressantes quant à l’application de la méthodologie.The incremental forming is an innovative process which consists in forming a sheet by the progressive movements of a punch. A solution to improve the productivity of the process and the complexity of the parts shapes is to use robots (serial or parallel). The scientific aim of this work is to define a global approach of the problem by studying the mesoscopic scale of the process and the macroscopic scale of the machine. In this context, a process/machine coupling approach which combines a Finite Element Analysis (FEA) of the process and an elastic modeling of the robot structure is presented.First, the punch forces necessary to form the part are computed assuming a machine structure perfectly stiff. To minimize the error between the predicted forming forces and the measured ones, the weight of three numerical and material parameters of the FEA is investigated. This study shows that an appropriate choice of parameters avoids the force measurement step, unlike the available approaches in the literature.Then, the predicted forces are defined as input data of the elastic model of the robot structure to compute the Tool Center Point (TCP) pose errors. To consider the behavior of the elastic structure, the modeling of robotized structures by beam elements is chosen and applied to an industrial robot Fanuc S420if. The identified elastic model permits to predict the TCP displacements induced by the elastic behavior of the robot structure over the workspace whatever the load applied on the tool. The prediction maximum error of ±0.35 mm remains compatible with the process requirements.To validate the approach, two parts are formed by the robot: a truncated cone and a twisted pyramid. The geometry of these two parts confirms the hypothesis of the simulation and the global approach. These two tests give very interesting results since an improvement of 80 % of the TCP poseaccuracy is identified.Finally, an optimization loop based on a parametric trajectory and on a FEA anticipates the springback effects before the unclamping of the sheet, and then minimizes the error between the nominal shape and the formed one. The application of the process/machine coupling approach for this trajectory leads to a geometric accuracy of the part before unclamping of ± 0.15 mm. These results open interesting perspectives for the methodology application

Développement d’une approche couplée matériau / structure machine : application au formage incrémental robotisé

The incremental forming is an innovative process which consists in forming a sheet by the progressive movements of a punch. A solution to improve the productivity of the process and the complexity of the parts shapes is to use robots (serial or parallel). The scientific aim of this work is to define a global approach of the problem by studying the mesoscopic scale of the process and the macroscopic scale of the machine. In this context, a process/machine coupling approach which combines a Finite Element Analysis (FEA) of the process and an elastic modeling of the robot structure is presented.First, the punch forces necessary to form the part are computed assuming a machine structure perfectly stiff. To minimize the error between the predicted forming forces and the measured ones, the weight of three numerical and material parameters of the FEA is investigated. This study shows that an appropriate choice of parameters avoids the force measurement step, unlike the available approaches in the literature.Then, the predicted forces are defined as input data of the elastic model of the robot structure to compute the Tool Center Point (TCP) pose errors. To consider the behavior of the elastic structure, the modeling of robotized structures by beam elements is chosen and applied to an industrial robot Fanuc S420if. The identified elastic model permits to predict the TCP displacements induced by the elastic behavior of the robot structure over the workspace whatever the load applied on the tool. The prediction maximum error of ±0.35 mm remains compatible with the process requirements.To validate the approach, two parts are formed by the robot: a truncated cone and a twisted pyramid. The geometry of these two parts confirms the hypothesis of the simulation and the global approach. These two tests give very interesting results since an improvement of 80 % of the TCP poseaccuracy is identified.Finally, an optimization loop based on a parametric trajectory and on a FEA anticipates the springback effects before the unclamping of the sheet, and then minimizes the error between the nominal shape and the formed one. The application of the process/machine coupling approach for this trajectory leads to a geometric accuracy of the part before unclamping of ± 0.15 mm. These results open interesting perspectives for the methodology application.Le formage incrémental consiste à utiliser un poinçon de forme simple dont le mouvement va progressivement mettre en forme une tôle. Il ouvre de nouvelles perspectives quant au potentiel des procédés de mise en forme des tôles métalliques. La mise en oeuvre du formage incrémental par des systèmes mécaniques ayant des capacités dynamiques accrues et des volumes accessibles importants tels que les robots manipulateurs sériels ou parallèles est un moyen efficace d’améliorer, d’une part la productivité mais aussi la complexité des pièces formées. L’objectif scientifique de ce travail est de contribuer au développement d’une approche globale du problème, en se plaçant à la fois à l’échelle « mésoscopique » du procédé et à l’échelle « macroscopique » du système de fabrication. C’est dans ce contexte qu’est proposée une approche couplée matériau/structure combinant d’une part l’analyse éléments finis du procédé et d’autre part un modèle élastique de la structure du robot.Tout d’abord, les efforts requis au niveau de l’outil pour former la pièce sont calculés sous l’hypothèse d’une structure de machine parfaitement rigide. Afin de minimiser l’erreur entre la prédiction et la mesure des efforts de formage, trois facteurs identifiés comme influents sur le niveau d’effort sont étudiés. Il est alors démontré, qu’à partir d’un choix de paramètres adapté, il est possible de s’affranchir de la mesure des efforts de formage, ce qui n’est actuellement pas le cas dans la littérature.Les efforts prédits sont ensuite définis comme une donnée d’entrée du modèle élastique de la structure robot afin de calculer les erreurs de poses du centre outil. Pour prendre en compte le comportement élastique de la structure, la modélisation des structures robotisées par des éléments de type poutre est retenue puis appliquée à un robot industriel Fanuc S420if. Elle permet de prédire ce comportement avec une précision maximale de ± 0,35 mm, quelque soit le chargement en bout d’outil supportable par le robot.Afin de valider l’approche, deux pièces sont formées par le robot : un cône tronqué et une pyramide vrillée. La géométrie de ces deux pièces permet de valider à la fois les hypothèses de la simulation ainsi que l’approche globale. Ces deux expérimentations entraînent une amélioration de 80 % de l’exactitude de pose du robot, rapprochant ainsi celui-ci des performances d’une machine à commande numérique à structure cartésienne.Finalement, dans la dernière partie, une boucle d’optimisation permet de prendre en compte, dès le calcul de la trajectoire, l’effet du retour élastique de la tôle avant le débridage de la pièce afin de minimiser l’écart entre le profil nominal et le profil formé. L’application de l’approche couplée à cette trajectoire se traduit par une précision géométrique de ± 0,15 mm du profil formé avant desserrage de la tôle, ouvrant ainsi des perspectives intéressantes quant à l’application de la méthodologie

Numerical simulation of the single point incremental forming : Improvement of the force prediction

International audienceIn this paper, a new coupling approach Process/Machine applied to Robotized Single Point Incremental Forming (RSPIF) is presented. This approach consists in coupling a Finite Element Analysis (FEA) of the process with an elasto-geometrical modeling of the robot to improve the geometrical accuracy of the trajectory. The FEA, assuming a rigid structure, is first used to evaluate the forces at the interface be-tween the tool and the sheet during the forming stage. These forces are then intro-duced as input data of the elasto-geometrical model of the robot, to predict the tool path deviations and to correct the trajectory. In order to make efficient the tool path correction, the weight of three numerical and material parameters of the FEA on the predicted forces is investigated. Finally, the efficiency of the proposed method is vali-dated by the comparison of the numerical and experimental geometries obtained with or without correction of the tool path

Springback effects during single point incremental forming Optimization of the tool path

International audienc